Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проектирования и технологии тонкопленочных микросборок 13
2. Исследование влияния конструктивно-технологических факторов на сопротивление тонкопленочного резистора 41
3. Разработка методов повышения качества тонкопленочной микросборки 79
4. Разработка конструктивно-технологических вариантов многоуровневых плат 110
5. Разработка методов проектирования тонкопленочной микросборки 139
6. Применение методов и алгоритмов проектирования в конструкциях микросборок датчиков первичной информации 172
Выводы 192
Заключение 194
Перечень принятых сокращений 196
Перечень принятых условных обозначений 197
Список литературы 199
Приложения. Сведения о внедрении результатов диссертационной работы 215
- Анализ современного состояния проектирования и технологии тонкопленочных микросборок
- Исследование влияния конструктивно-технологических факторов на сопротивление тонкопленочного резистора
- Разработка методов повышения качества тонкопленочной микросборки
- Разработка конструктивно-технологических вариантов многоуровневых плат
Введение к работе
Актуальность исследования. Создание надежных высококачественных радиоэлектронных средств (РЭС) при минимальных производственных затратах стало возможным благодаря современной технологии микроэлектроники. Основными конструктивными единицами РЭС в настоящее время являются полупроводниковая интегральная схема (ПИС) и микросборка (МСБ). Причем эти конструктивные единицы имеют различную степень интеграции находящуюся в диапазоне от 2 до 10.
Основным направлением развития микро- и наноэлектроники является повышение степени интеграции ПИС и МСБ. Согласно закону Мура, размеры элементов ПИС уменьшаются вдвое каждые 5 лет. Полупроводниковая промышленность РФ отстает от упомянутого закона Мура. Тем не менее в России к 2005 г. освоили размеры 0,3 мкм, что позволило создать 64-разрядный процессор с 3,4 млн. элементов в кристалле [1]. Несмотря на затяжной экономический кризис, размеры элементов ПИС в РФ, за последние 20 лет уменьшились в 5 раз. В то же время как номинальные размеры проводников и резисторов тонкопленочных МСБ на большинстве Российских предприятиях, за редким исключением, остались практически неизменными и составляют 0,2-0,3 мм. Следует отметить, что наша страна утратила свое лидирующее положение в производстве МСБ и микроблоков к концу 80-х годов ХХ века, когда в зарубежной печати появились сообщения по созданию многокристальных модулей с многоуровневой разводкой и размерами проводников 5-25 мкм [2, 3].
Увеличение степени интеграции ПИС неизбежно приводит к увеличению количества их выводов. Уже стало нормой количество выводов 68 и 84. Имеются сообщения о компонентах с числом выводов свыше 1000. На практике с ростом количества выводов компонентов растет площадь межсоединений коммутационной платы. Поэтому для повышения плотности упаковки плат современных цифровых устройств актуальным является создание многоуровневой тонкопленочной коммутации, а также повышение плотности межсоединений, что может быть достигнуто как за счет уменьшения ширины проводников, так и за счет уменьшения расстояния между ними.
Вопросы проектирования и технологии тонкопленочных МСБ рассмотрены в работах зарубежных и отечественных авторов: Г. Холлэнда, Р. Берри, П. Холла, М. Гарриса, Л. Майссела, Р. Глэнга, Б.Ф. Высоцкого, Л.А. Коледова, А.И. Коробова, О.Е. Бондаренко, В.Ф. Борисова, А.С. Назарова, А.В. Фомина, В.Н. Сретенского, Г.Я. Гуськова, Г.А. Блинова, И.Н. Воженина, В.П. Лаврищева, В.Н. Черняева, В.А. Волкова, Ю.П. Ермолаева, И.П. Бушминского, Л.Н. Колесова, З.Ю. Готра, И.Е. Ефимова, И.Я. Козыря, Ю.Н Горбунова и других.
Большинство миниатюрных аналоговых устройств, например, электронные блоки датчиков первичной информации, высокоразрядные АЦП и ЦАП, усилители и генераторы СВЧ выполняется в виде МСБ на основе тонкопленочной технологии. Технология тонкопленочных МСБ была разработана в 60-х годах ХХ века и по существу в России остается неизменной до настоящего времени. В качестве материалов подложек традиционно используются ситалл и поликор, которые по своим физическим свойствам, например, пористости, не способны обеспечить ширину линий менее 15-25 мкм.
Минимальный размер чип-резистора для поверхностного монтажа составляет 0,25х0,25 мм, то есть близок к размерам тонкопленочного резистора (ТПР). В то же время современные технологии и оборудование в России могут обеспечивать размеры ТПР до 1-3 мкм и пока этот потенциал не используется. В основном это связано с отставанием методов проектирования ТПР и МСБ в целом.
Поэтому появилась настоятельная необходимость анализа существующих конструкций и технологий тонкопленочных МСБ и создания новых конструктивно-технологических решений, которые бы способствовали разработки новых норм конструирования и изготовления МСБ.
Для того чтобы оценить прогресс развития конструкций используют удельные показатели качества. В связи с тем, что плотность упаковки является главным показателем уровня интеграции того или иного конструктива, то в данной работе в качестве основного критерия будет применяться именно это показатель. Плотность упаковки – это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов [4].
Таким образом, научная проблема, которая решается в данной работе, заключается в устаревшем методологическом подходе к проектированию и производству тонкопленочных МСБ, который сдерживает рост их плотности упаковки. Решение проблемы особенно актуально для авиационной, космической и военной техники, где стоимость одного килограмма приборов достигает сотни тысяч и даже миллионы рублей. Актуальность работы подтверждается тем, что рассматриваемая проблема относится к приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в РФ до 2015 г., утвержденными 21.05.06 президентом РФ.
Объектом исследования являются тонкопленочные МСБ и гибридные интегральные схемы (ГИС). Учитывая, что в проектировании и производстве МСБ и ГИС применяют единые технологические и конструктивные решения, то в дальнейшем будем применять только термин МСБ как более распространенный.
Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкции тонкопленочных элементов, плат и МСБ.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка теоретических и методологических основ конструкторско-технологического проектирования и производства тонкопленочных МСБ высокой плотности упаковки, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии микро- и наноэлектроники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Выполнить анализ современного состояния проектирования и технологии тонкопленочных элементов, плат и МСБ, выявить проблемы и разработать новые подходы к их решению.
2. Исследовать влияние конструктивно-технологических факторов на сопротивление ТПР, на основании чего уточнить теоретическую модель сопротивления ТПР и его погрешности.
3. Разработать методы обеспечения качества тонкопленочных элементов, плат и МСБ при возрастании плотности упаковки.
4. Разработать конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат и МСБ.
5. Разработать методы и алгоритмы проектирования тонкопленочных МСБ с высокой плотностью упаковки.
6. Применить полученные методы и алгоритмы проектирования к разработке конструкций МСБ датчиков первичной информации.
Методы исследований. Для решения поставленных задач используются: математический аппарат численного и аналитического моделирования, методы теории допусков, теории вероятностей и математической статистики, математический аппарат теории цепей, методы теплового моделирования и расчета тепловых режимов конструкций МСБ, а также экспериментальные методы исследования.
Основные новые научные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель ТПР, включающая в себя:
- систематические погрешности формирования физической структуры ТПР;
- контактное сопротивление;
- сопротивление электродов;
- систематическую погрешность, за счет исключения контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя.
-
Конструкция гребенчатого резистора.
-
Методы повышения качества тонкопленочных МСБ, включающие в себя:
- способ изготовления ТПР методом двойной фотолитографии;
- способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов;
- метод оценки качества тонкопленочной платы;
- метод определения погрешностей формирования структуры тонкопленочных элементов;
- устройство контроля качества сварных соединений.
-
Конструктивно-технологические варианты многоуровневых плат, включающие в себя:
- платы с толстопленочной полимерной изоляцией;
- платы с подложкой из кремния.
-
Методы проектирования тонкопленочной МСБ, включающие в себя:
- интегрально-групповой метод компоновки;
- метод расчета стационарного теплового режима;
- метод проектирования топологии платы.
Научная новизна полученных результатов заключаются в следующем:
-
На основе проведенного анализа современного состояния теории и практики проектирования, а также технологии тонкопленочных МСБ выявлены основные проблемы и показаны пути их решения. Показано, что основной проблемой, которая сдерживает рост плотности упаковки МСБ в настоящее время, является не столько уровень технологии и оборудования, а устаревшие модели, методы и алгоритмы проектирования и производства тонкопленочных МСБ. Сформулированы основные методы повышения плотности упаковки тонкопленочных МСБ.
-
Разработана теория ТПР с размерами менее 50 мкм, основные положения которой заключается в следующем. Уточнены математические модели сопротивления ТПР и его погрешности для диапазона частот до 300 МГц. В новые модели дополнительно входят систематические погрешности формирования удельного поверхностного сопротивления, длины, ширины, сопротивление электродов, систематическая погрешность за счет исключения контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя. Разработана модель контактного сопротивления ТПР, в которую входят сопротивления резистивной, адгезионной и проводящей пленки конструкции контакта. Отличие от известных моделей состоит в непосредственном расчете сопротивления участков контакта.
Предложена конструкция гребенчатого ТПР, которая защищена двумя патентами РФ. Особенностью данной конструкции является то, что прямоугольные резистивные элементы находятся между двумя встречно расположенными гребенчатыми электродами, а контактные площадки резистора расположены на минимальном расстоянии от электродов. Впервые разработаны модели сопротивления электродов для прямоугольного и гребенчатого ТПР. Впервые исследовано влияние контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоев на сопротивление ТПР. Установлено, что при Кф > 10 и Кф < 0,1 контактные площадки перекрытия могут быть исключены из конструкции резистора без ухудшения точности получения сопротивления.
-
Разработаны методы повышения качества тонкопленочной платы, суть которых состоит в следующем. Разработан способ изготовления ТПР методом двойной фотолитографии, который защищен патентом РФ. Отличие этого способа от известных состоит в том, что при второй фотолитографии фоторезистом защищают все проводники, резистивные элементы и контактные площадки, за исключением небольших участков контактных площадок перекрытия резистивного и проводящего слоя. Разработаны способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов, которые в отличие от известных способов не ухудшают плотность упаковки и не повышают себестоимость изготовления МСБ. Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы. Отличие данного метода от известных решений состоит в том, что он определяет не только качество изготовления платы, но и качество проектирования ее топологии и комплекта фотошаблонов. Разработаны методы и алгоритмы оценки погрешностей параметров физической структуры ТПР. Предлагаемые методы и алгоритмы в отличие от известных позволяют определять сопротивление электродов прямоугольного и гребенчатого ТПР и систематическую погрешность удельного поверхностного сопротивления. Разработанные алгоритмы имеют более высокую точность оценки погрешностей формирования структуры ТПР.
-
Разработаны конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат с толстопленочной полимерной изоляцией. Отличительной особенностью этих плат является то, что выводы компонентов присоединяются непосредственно к контактным площадкам того или иного уровня коммутации. В результате образуется небольшое число межуровневых соединений, которые осуществляются либо с помощью проволочных перемычек, либо припоем. Выводы компонентов и проволочные перемычки присоединяются к контактным площадкам, расположенным на втором и последующих уровнях, с помощью ультразвуковой сварки или пайки.
Разработаны конструктивно-технологические варианты тонкопленочных многоуровневых плат с подложкой из кремния. Отличие этих плат от известных решений состоит в формировании слоя диэлектрика из диоксида кремния толщиной 4-5 мкм за счет термического окисления кремния и ионно-плазменного напыления диоксида кремния на пластину. Кроме того, на одной или обеих поверхностях плат формируют ТПР. В двусторонней плате при металлизации отверстий методом HAL используется защитный слой пленки хрома. Отличительными особенностями платы с тремя уровнями коммутации является: формирование общей шины, как на диэлектрики, так и на кремнии; использование общей шины в качестве экрана, а самой платы в качестве несущей конструкции. Впервые разработаны методы монтажа многоуровневых плат с подложкой из кремния.
-
Разработаны методы проектирования топологии тонкопленочных МСБ. Впервые разработан интегрально-групповой метод компоновки МСБ. Разработан метод расчета стационарного теплового режима тонкопленочной платы. Отличие от известных методов состоит в замене параметра «допустимая удельная мощность рассеяния» на параметр «тепловое сопротивление кондуктивного тракта» и переход от плоской тепловой модели к объемной. Объемная тепловая модель, состоит из правильной усеченной пирамиды и трех параллелепипедов. Разработан метод проектирования топологии МСБ. Отличие от известных методов состоит в алгоритме расчета размеров ТПР и алгоритме проверочного расчета тепловых режимов компонентов и ТПР.
-
Впервые разработаны топологии многоуровневых плат тонкопленочных МСБ:
МСБ с интегрально-групповым методом компоновки;
двухуровневых плат с толстопленочной полимерной изоляцией;
кремниевой двухуровневой платы с металлизацией переходных отверстий методом HAL;
кремниевой трехуровневой платы с выполнением общей шины и экрана на кремнии.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечены: использованием известных положений фундаментальных наук, строгими математическими доказательствами, адекватностью разработанных моделей реальным физическим и технологическим процессам; подтверждены совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, не противоречащими исследованиям других авторов. Полученные результаты базируются на хорошо отработанных в промышленности типовых технологических процессах микроэлектроники и подтверждаются успешной апробацией на научно-технических конференциях и публикацией основных положений в ведущих научно-технических журналах. Многие технические решения внедрены в производство и учебный процесс, а также защищены а.с. СССР и патентами РФ.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
1. Повышена плотность упаковки тонкопленочных МСБ за счет:
- уменьшения топологических норм проектирования тонкопленочных элементов в 5-20 раз;
- увеличения на два порядка диапазона отношения сопротивлений Rмакс/Rмин, изготавливаемых на одной плате;
- выбора и разработки конструкций ТПР с минимальной площадью и высокой точностью изготовления;
- разработкой конструктивно-технологических вариантов плат с многоуровневой разводкой.
2. Предложенные автором методы, модели и алгоритмы позволяют повысить качество МСБ и снизить себестоимость их изготовления.
3. Теоретические и научные результаты работы доведены до инженерных решений в виде методов проектирования и конкретных конструктивов тонкопленочных МСБ. Сформулированы основные требования и нормы конструирования для нового стандарта по тонкопленочным МСБ.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде стандарта предприятия, конструкторских и технологических документов, изобретений, учебных пособий, лекций внедрены на предприятиях и в высших учебных заведениях: Арзамасском ОАО НПП «Темп-Авиа», Чебоксарском НПП «Элара», Пензенском НИИ Электромеханических приборов, Нижегородском НПП «Салют-27», Арзамасском политехническом институте (филиале НГТУ), Нижегородском государственном техническом университете, Пензенском государственном университете.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях (НТК):
НТК "Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении", г. Н. Новгород, 1997г.
Всероссийской НТК, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НГТУ: "Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении", г. Арзамас, 1998г.
Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород – Арзамас, НГТУ – АФ НГТУ, 2003г.
НТК «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе», г. Арзамас, 2004г.
НТК «Проблемы современной микроэлектроники», с. Б. Болдино, 2004г.
LX научной сессии, посвященной дню радио, Российского НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г. Москва, МТУСИ, 2005г.
Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород – Арзамас, НГТУ – АФ НГТУ, 2007г.
V межрегиональной научно-практической конференции «Современные информационные и телекоммуникационные технологии в образовании, науке и технике», Арзамасский филиал Современной гуманитарной академии, 2008г.
Международной НТК «Пассивные электронные компоненты-2008», г. Н. Новгород, ОАО НПО «ЭРКОН».
Международной НТК «Информационные системы и технологии-2008», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
63-й научной сессии, посвященной дню радио, Российского НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г. Москва, МТУСИ, 2008г.
9-й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии-2008», Одесский национальный политехнический университет.
Международном симпозиуме «Надежность и качество», ПГУ, г. Пенза.
8-м международном симпозиуме «Интеллектуальные системы-2008», », МГТУ им. Баумана, г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
18-й Всероссийской НТК с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика-2008», г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
7-й Международной НТК «Авиация и космонавтика-2008», г. Москва, МАИ.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 73 научных работы, в том числе 1 монография, 1 учебное пособие, 38 научных статей и 10 тезисов докладов. 29 статей опубликованы в центральных и зарубежных периодических изданиях и сборниках научных трудов. Из них 10 статей опубликовано в научно-технических журналах РФ, рекомендованными ВАК Минобразования: «Проектирование и технология электронных средств», «Датчики и системы», «Известия вузов. Электроника», «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Нано- и микросистемная техника», «Вестник МАИ» и 8 статей опубликовано в Украинском рецензируемом научно-техническом журнале «Технология и конструирование в радиоэлектронной аппаратуре», включенном в список ВАК Украины.
Новизна и практическая значимость результатов выполненных исследований подтверждены 9-ю изобретениями, в том числе 3-мя авторскими свидетельствами СССР, 2-мя положительными решениями на получение патента РФ, 4-я патентами РФ. Кроме того, материалы исследований, связанных с диссертацией, представлены в 14 отчетах по НИР и ОКР.
Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 222 наименований и приложений. Общий объем работы без учета приложений составляет 214 страниц. Диссертация содержит 69 рисунков и 54 таблицы.
Анализ современного состояния проектирования и технологии тонкопленочных микросборок
В настоящее время трудно найти область человеческой деятельности, в которой не применялась бы МЭА. Это связано, прежде всего, с экономическим аспектом. МЭА характеризуется малыми массогабаритными характеристиками и высокой надежностью. Если МЭА устанавливается в жилые или производственные помещения, то их свободная площадь напрямую зависит от размеров МЭА. При этом следует учитывать, что стоимость одного квадратного метра любого помещения постоянно растет. Требования к миниатюризации МЭА повышаются при ее установке на транспортные средства, достигая рекордных значений в авиационной, космической и ракетной техники. Таким образом, миниатюризация выгодна потребителю МЭА.
Повсеместное внедрение в МЭА широкой номенклатуры МСБ, в том числе СВЧ-диапазона, прогрессивных средств коммутации па основе полиимидной пленки, прецизионных гибридных АЦП, акустоэлектронных изделий на поверхностных и объемных акустических волнах, вторичных источников питания нового поколения в сочетании с базовыми конструкциями позволило в корне изменить структуру, конструктивно-технологическую сущность и облик МЭА, существенно улучшить ее тактико-технические и экономические характеристики [1].
С ростом уровня интеграции изделий микроэлектроники неизменно достигается снижение себестоимости, улучшение показателей надежности [5], уменьшение массы и габаритов изделий. Отмеченные закономерности обусловлены спецификой условий групповых методов обработки, применяемых при изготовлении микроэлектронных изделий. Себестоимость изготовления интегральной схемы (ИС) определяется следующим выражением [6]: т С = Suc rQ + C0)/(S0 PJ, (1.1) к=\ где Suc - площадь, занимаемая одной ИС; S0 - площадь подложки; Рг - доля выхода годных ИС на одной подложке; СК - затраты на проведение к-той (из общего числа т операций) технологической операции; С0 - стоимость подложки. Из (1.1) видны следующие три пути уменьшения себестоимости ИС при неизменной площади подложки.
1. Себестоимость ИС уменьшается, если уменьшается площадь ИС, так как при этом увеличивается число ИС, размещаемых на одной подложке. Последнее обеспечивается масштабным уменьшением геометрических размеров элементов, так как при росте плотности упаков 14 ки себестоимость изготовления платы (SC ) изменяется незначительно или вообще не изменяется (2СА. const). На практике выгодно не только добиться увеличения плотности размещения элементов, но и увеличить интеграцию изделия микроэлектроники. Это достигается как увеличением плотности упаковки, так и площади, занимаемой ИС.
2. Себестоимость ИС уменьшается при увеличении процента выхода годных ИС, изготавливаемых на одной подложке.
3. Себестоимость ИС уменьшается при снижении 2СК, то есть затрат на проведение технологического процесса ИС.
Любая подложка характеризуется полезной площадью и технологическими полями. Под полезной площадью понимается площадь, занимаемая всеми ИС. Увеличение полезной площади подложки также приводит к снижению себестоимости ИС, так как в этом случае на подложке можно разместить большее количество ИС.
Решение задач по снижению себестоимости выпускаемой продукции делает предприятие конкурентоспособным. Таким образом, миниатюризация МЭА выгодна как потребителю, так и производителю ИС.
Первой серией цифровых гибридных интегральных микросхем в СССР была 217 серия, разработанная в 1969 г. Схемы имели среднюю частоту 1,5 МГц и максимально потребляемую мощность 60 мВт. В отличие от толстопленочных изделий в качестве активных элементов в тонкопленочных микросхемах использовались транзисторы с жесткими выводами (так называемые «шарики»). Жесткие выводы на транзисторах позволяли автоматизировать монтаж этих компонентов на подложку микросхемы. Начиная с 1960 г. плотность упаковки полупроводниковых интегральных схем (ИС) неуклонно возрастала [1] (табл. 1.1). Таблица 1.1. - Динамика роста плотности упаковки полупроводниковых ИС. Год 1960 1970 1980 1990 Плотность упаковки, число элементов/см3 102 10j 104 10э Целесообразность использования гибридного конструктивно-технологического варианта рассмотрена в [7]. Вот некоторые доводы, которые приводятся в данной работе: 1). Аналоговые устройства предпочтительнее изготавливать по гибридной технологии, так как площадь пассивных компонентов превосходит площадь активных компонентов. 2). Затраты па оборудование для производства тонкопленочных гибридных интегральных схем (ГИС) значительно меньше, чем для производства полупроводниковых схем того же типа. 3). Параметры тонкопленочньгх элементов имеют более широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков, более высокие добротность, температурную и временную стабильность и другие преимущества по отношению к элементам БИС. 4). ГИС способны рассеивать значительно большую мощность, чем БИС. В России не получило широкого распространения производство ГИС как функционально законченных устройств, предназначенных для продажи внешним потребителям. Значительно чаще разработчики конкретных устройств для улучшения показателей миниатюризации изготавливают МСБ. МСБ по технологическому принципу не отличаются от ГИС. Однако, в отличие от ГИС, они не выпускаются как самостоятельные изделия широкого применения, а являются микроэлектронными изделиями частного применения. Следует отметить, что МСБ всегда имеют потенциальную возможность более высокой интеграции, чем БИС, так как в них возможна установка нескольких сотен бескорпусных кристаллов (БК) любой степени интеграции на одной подложке.
Спектр применения МСБ очень широкий и, по существу, охватывают все области применения МЭА (рис. 1.1). Наиболее часто МСБ применяются в датчиках первичной информации [8-12], связной аппаратуре [13], вторичных источниках питания [14], в микросхемах цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Одной из сложных и трудоемких частей этих микросхем является резисторная матрица [15]. НИИ Электромеханических приборов (г. Пенза) выпускаются 16-18-ти разрядные ЦАП, серии 427, которые изготавливаются по технологии МСБ, причем резисторные матрицы изготавливаются по тонкопленочной технологии [16]. В ИС К427ПА5Т используется резисторная матрица с подложкой на ситалле размером 10x8,5 мм, содержащая 41 резистор. Минимальная ширина ТПР составляет 20 мкм, диапазон сопротивлений: от 25 Ом до 1,54 МОм и ТКС -5 10"6 1/С.
Отставая от США и Японии по уровню развития субмикронных технологий, в СССР в 1970-1980 гг. прошлого века интенсивно разрабатывалась технология больших гибридных интегральных схем [17, 18]. В результате эти микроэлектронные устройства функционально превосходили американские и японские СБИС.
С конца 1980-х годов стали появляться сообщения об интенсивном развитии во многих странах, прежде всего, в США, технологии МКМ [3, 4, 19-21]. Технологией МКМ в 1989 году занимались свыше 50 компаний из различных стран мира. Если раньше эта технология была ориентирована на изделия военного назначения, то в том же 1989 году 30% сбыта приходилось на изделия гражданского назначения, и этот рынок растет быстрыми темпами. Основными потребителями МКМ являются фирмы, создающие компьютеры. В настоящее время они же, как правило, являются разработчиками МКМ.
Исследование влияния конструктивно-технологических факторов на сопротивление тонкопленочного резистора
Разработка математической модели сопротивления ТПР требует рассмотрения как конструктивных, так и технологических факторов. Элементы конструкции ТПР при определенных условиях могут вносить существенную погрешность в его сопротивление. Технологический процесс или даже его разновидности могут по-разному оказывать влияние на формирование физической структуры ТПР. При рассмотрении основных физических явлений, происходящих в процессе выполнения технологических операций напыления, фотолитографии и травления тонких пленок можно назвать несколько десятков факторов, которые оказывают прямое влияние на точность и стабильность сопротивления ТПР. В данной главе рассматриваются следующие вопросы: - определяются элементы конструкции ТПР, которые могут влиять на его сопротивление; - разрабатываются физико-математические модели контактного сопротивления и сопротивления электродов ТПР; - исследуется влияние контактных площадки перекрытия резистивного и проводящего слоев на изменение сопротивления ТПР; - производится анализ технологических погрешностей физических параметров ТПР; - разрабатывается физико-математическая модель сопротивления ТПР и его погрешности; - осуществляется выбор конструкций ТПР, которые занимают минимальную площадь и обеспечивают наилучшую воспроизводимость сопротивления.
Количество ТПР в современных МСБ может достигать несколько десятков, а то и сотен [6]. Уменьшение размеров ТПР, изготавливаемых методом двойной фотолитографии менее 0,2 мм, сопровождается уменьшением выхода годных плат тонкопленочных МСБ, вследствие непопадания сопротивлений в заданные допуски. Анализ причин этого явления показывает, что на выход годных влияют не только технологические факторы, но и конструктивные. Конструкция ТПР (рис. 2.1) в самом простом случае содержит: резистивный элемент, два электрода, два контакта между проводящей и резистивнои пленкой, четыре контактных площадки перекрытия (КПП) резистивного и проводящего слоев.
Современные методы расчета сопротивления ТПР в основном учитывают только сопротивление резистивного элемента. Однако, все остальные элементы конструкции ТПР, например, вследствие собственного сопротивления, вносят определенный вклад в общее сопротивление ТПР. Рис. 2.1. Элементы конструкции ТПР: 1 - резистивный элемент, 2 - электрод, 3 - контакт между проводящей и резистивной пленкой, 4 - КПП, 5 - проводник; 6 - адгезионный слой; 7 - подложка. Под контактом между проводящей и резистивной пленкой понимают участок ТПР, в котором ток переходит из резистивного слоя в проводящий или наоборот. Длина этих участков очень мала, в связи с чем, этот элемент конструкции ТПР обозначен нарис. 2.1 линией 3. Необходимость выделения контакта как элемента конструкции ТПР вызвана тем, что ток, проходящий через контакт, имеет нелинейную траекторию. Кроме того, плотность тока в контакте неравномерна. Эти явления требуют разработки специальной математической модели сопротивления контакта. Контакты включены последовательно с резистивным элементом, поэтому они увеличивают сопротивление ТПР.
Последовательно с контактом включен электрод. Далее электрод соединяется с КПП и с проводником. В частном случае роль электрода и КПП может выполнять контактная площадка (КП) для подключения выводов компонентов. Электроды выполнены из проводящей пленки, которая обладает конечным сопротивлением. При Кф 0,1 сопротивлением электродов, как правило, пренебрегают. Однако при малых коэффициентах формы ТПР сопротивление электродов становится сопоставимым с сопротивлением резистивного элемента и может значительно увеличивать номинальное сопротивление ТПР и ухудшать его стабильность, вследствие большого температурного коэффициента сопротивления проводящей пленки. КПП предназначены для исключения погрешности сопротивления ТПР, вызванной несовмещением фотошаблона при второй фотолитографии с рисунком подложки. Однако введение этих конструктивных элементов уменьшает плотность межсоединений.
ТПР, ввиду их высокой точности и стабильности широко распространены в датчиках и в измерительных системах или устройствах. Такими примерами являются: выходные резисторы акселерометров, входные делители мультиметров, измерительные мосты, резисторные матрицы АЦП и ЦАП. С каждым годом ужесточаются технические требования, предъявляемые к ТПР, прежде всего к уменьшению его размеров, повышению точности и стабильности сопротивления. Одним из видов погрешностей сопротивления ТПР является его контактное сопротивление. Анализ литературы, посвященный расчету контактного сопротивления, проведенный в [100, 101], показывает актуальность и сложность решения проблемы. История рассматриваемого вопроса составляет свыше 40 лет, однако до сих пор не получены формулы для инженерных расчетов. Актуальность решения проблемы вызвана, прежде всего, необходимостью создания высокостабильных резисторов малых размеров с нестабильностью сопротивления не более ±0,001 % и температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) ±1-10 6 1/С. В технической литературе сопротивление ТПР R в первом приближении определяется выражением: R = Rpj + RK = pl/b + RK = pK p + RK, (2.1) где Rp3 - сопротивление резистивного элемента; р - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки; I, b - длина и ширина резистора; К р = 1/Ъ - коэффициент формы резистора; RK - сопротивление двух контактов ТПР. Как видно из формулы (2.1) контактное сопротивление может оказывать самое прямое влияние на общее сопротивление и стабильность ТПР. По мнению авторов [76,с.6] контактное сопротивление определяется переходным межслойным удельным сопротивлением, которое возникает вследствие трех факторов: 1. Образование «сплава» при взаимной диффузии материалов пленок в зоне их перекрытия. 2. Изменение структуры материала (крупно или мелкокристаллическая структура), при котором проявляется эффект «стягивания» - изменения сопротивления в межкристальной области. 3. Возникновением окисных или сернистых (особенно на предприятиях, расположенных вблизи автомобильных трасс) на поверхностях нижних пленок при извлечении подложек из вакуумных установок перед нанесением верхней пленки. Применение в модели расчета контактного сопротивления переходного удельного сопротивления приводит к совершенно фантастическим результатам. Так авторы [76,с.34] ут 44 верждают, что сопротивление контакта при длине и ширине перекрытия пленок в 10 мкм составит 1000 Ом, при этом сопротивление резистора с параметрами: р= 100 Ом/п; / = 50 мкм; b = № мкм составит 2500 Ом. Если бы приведенные результаты хоть сколько-нибудь соответствовали действительности, то проблемы измерения контактного сопротивления просто бы не существовало, так как реализация ТПР с указанными параметрами на практике не вызывает технологических трудностей. Полученный результат следует объяснить недостатком модели [76,с.15], который состоит в том, что при расчете контактного сопротивления используется «вероятный диапазон удельных переходных сопротивлений между пленками, конкретные значения которых устанавливаются экспериментально при отработке конкретной технологии для определенного сочетания применяемых материалов». К сожалению, авторы не указывают в [76] и не дают ссьшок на литературу, где приводится методика расчета или экспериментального определения переходного удельного сопротивления.
Разработка методов повышения качества тонкопленочной микросборки
Вопросы повышения качества МЭА рассматриваются в [6, 91, 128] и других изданиях. Качество любого изделия обеспечивается, прежде всего, его проектированием. Оттого насколько точно определены номинальные значения и допустимые отклонения того или иного показателя качества при проектировании зависит выход годных и себестоимость изделия [129]. Производство тонкопленочных плат характеризуется сложными физико-химическими и технологическими процессами. В результате на формирование физической структуры ТПР влияют несколько десятков факторов [130].
Очень часто такая распространенная причина брака как непопадание сопротивления в заданное поле допуска не находит понимания и объяснения у персонала предприятия: технологов, разработчиков, конструкторов. Поэтому было бы целесообразным обеспечить обратную связь между проектированием и производством плат. Это можно достигнуть путем разработки методов оценки погрешностей тонкопленочных элементов. Как отмечено в главе 1 существующие методы оценки производственных погрешностей сопротивления ТПР имеют ряд недостатков. В связи с чем, требуется уточнение этих методов. Кроме того, в настоящее время не существует методов оценки инструментальных погрешностей (погрешностей формирования элементов ФШ) тонкопленочных элементов. Вопросы повышения качества проектирования и изготовления тонкопленочных плат рассмотрены автором в [131-141].
В данной главе рассматриваются следующие вопросы: - анализируются существующие способы изготовления ТПР методом фотолитографии, и разрабатывается новый способ; - разрабатываются способы компенсации систематических погрешностей тонкопленочных элементов; - разрабатывается метод оценки качества тонкопленочной платы; - исследуются погрешности формирования тонкопленочных элементов; - рассматриваются особенности технологического процесса изготовления методом фотолитографии тонкопленочных плат с размерами элементов менее 50 мкм; - разрабатываются устройства для контроля качества приварки выводов микросхем на полиимидном носителе к КП платы.
ТПР изготавливаются, в основном, двумя способами: методом напыления через маски и методом напыления с последующей фотолитографией. С помощью масочного метода возможно получение линейных размеров ТПР только более 0,3 мм, поэтому дальнейшая миниатюризация ТПР этим способом невозможна. Наибольшее применение в настоящее время получила двойная фотолитография, две разновидности которой для формирования конфигурации резистивного фрагмента, приведены на рис. 3.1,а, б. Суть этих способов заключается в том, что в первом способе при первой фотолитографии формируют длину резисторов, а при второй фотолитографии их ширину, а во втором способе сначала формируют ширину ТПР, а затем его длину. В первом способе используют проводящую структуру Cr-Au, а во втором проводящие структуры, не содержащие драгоценных металлов, например, V-Cu-Ni или V-A1. Недостатком первого способа является высокая себестоимость, а второго низкая точность формирования ширины ТПР.
Чтобы сохранить достоинства и исключить недостатки первых двух способов изготовления ТПР, автором в Арзамасском НПП «Темп-Авиа» в 1989 г. был разработан третий способ изготовления ТПР [68, 69], который успешно эксплуатируется до настоящего времени. Его отличие от первого способа состоит в том, что при 2-ой фотолитографии все резистив-ные элементы, проводники и контактные площадки защищаются фоторезистом (рис.3.1,в). Незащищенными фоторезистом остаются только КПП резистора с проводником, которые обеспечивают исключение погрешности за счет смещения ФШ. Минимальный размер КПП должен быть не менее смещения АВ. При этом происходит частичное стравливание пленки никеля на КПП проводящей структуры V-Cu-Ni травителем резистивной пленки.
Однако это не сказывается на качестве и надежности плат. Кроме того, если никель напылять до рекомендуемой толщины (0,05-0,1) мкм, то стравливание никеля на незащищенных КПП становится практически незаметным. Пленка незащищенной поверхности алюминиевых КПП проводящей структуры V-A1 стравливается резистивным травителем несколько сильнее. Тем не менее, глубина стравливания алюминия не превышает 0,1-0,3 мкм. Столь малое уменьшение толщины проводящей пленки (при ее минимальной толщине в 1 мкм) практически не снижает величины плотности тока в проводниках даже при допустимом рас-совмещений второго ФШ относительно проводящего слоя.
Гребенчатый резистор (рис. 3.1,г) имеет некоторые положительные конструктивно-технологические особенности. Например, он не содержит КПП, что способствует его миниатюризации. В конструкции гребенчатого резистора обычно выбирают Кфі 0,2 и, таким образом, минимизируют погрешность несовмещения ФШ при второй фотолитографии. Кроме того, эта погрешность в гребенчатом резисторе будет в 2 раза меньше, чем в прямоугольном ТПР, так как при любых смещениях ФШ резистивный элемент в гребенчатом резисторе не будет перекрываться полностью только одним электродом. При изготовлении гребенчатого резистора после первого травления формируют встречно - гребенчатые электроды. При второй фотолитографии фоторезист наносят на весь резистор, за исключением прямоугольных окон между электродами, после чего в окнах производят травление резистивного слоя. Для уменьшения размеров гребенчатого резистора и величины его сопротивления электродов ширина окна должна быть минимальной и равна ширине зазора между электродами (проводниками) достижимого технологически.
Разработка конструктивно-технологических вариантов многоуровневых плат
На пути перехода от микро- к наноэлектронике требования к уменьшению площади, занимаемой межсоединениями неуклонно ужесточаются [162]. Печатные платы [163-165] по этим показателям часто не удовлетворяют этим требованиям. Постоянно возрастающие требования по быстродействию и плотности упаковки заставляет разработчиков МЭА искать новые конструктивно-технологические решения проектирования и изготовления коммутационных плат. Рост функциональной сложности электронных устройств, использование многовыводных полупроводниковых компонентов в МСБ обусловило необходимость создания в них многоуровневой разводки на иных физических принципах. К многоуровневой коммутации предъявляются следующие основные требования [7], которые часто противоречат друг другу: 1) высокая плотность монтажа компонентов; 2) высокие электрическое сопротивление и прочность изоляции; 3) низкая диэлектрическая проницаемость межуровневой изоляции (МИ); 4) малое и постоянное во времени переходное сопротивление контактов в областях соединения проводников разных слоев; 5) высокая механическая прочность; 6) низкая себестоимость. Максимальная плотность упаковки может быть достигнута только в случае применения тонкопленочной технологии, где в качестве материалов подложки наиболее часто используют такие керамические материалы как окись алюминия, нитрид алюминия или кремний [20].
Анализ, проведенный в главе 1, показывает, что максимальную интеграцию МСБ можно осуществить только на подложках из кремния или сапфира. Сапфир является полудрагоценным камнем, а кремний составляет по весу 25% земной коры и по степени распространения в природе находится на втором месте, уступая только кислороду. Производство кремниевых пластин осуществляется на« основе хорошо отлаженных технологических процессов. Поэтому кремниевые подложки относительно дешевы и их применение для МСБ высокой плотности упаковки является наиболее целесообразным. В США подложки из кремния получили широкое распространение при производстве МКМ [20]. В то время как в РФ практически отсутствуют публикации по данному вопросу. Чтобы восполнить данный пробел автор опубликовал ряд работ [166-170]. Многоуровневые платы с толстопленочной полимерной изоляцией рассмотрены автором в работах [171, 172]. Настоящая глава рассматривает следующие вопросы: - разработку многоуровневой платы с толстопленочной полимерной изоляцией; - разработку конструкций и технологий коммутационных плат с подложкой из кремния; - разработку способов монтажа этих плат к основанию корпуса; - особенности монтажа БК с объемными выводами на плату.
В тонкопленочных многоуровневых платах используют пленки диэлектрика толщиной 2-4 мкм. Такая толщина пленок не позволяет создавать МИ без ее проколов, которые вызывают короткие замыкания между проводниками разных уровней. Причинами проколов изоляции являются пористость диэлектрика, загрязнения, неоднородность структуры подложки, механические повреждения и т.д. Чтобы исключить образование сквозных проколов МИ формируют в 2-3 слоя [85]. Однако такое решение увеличивает трудоемкость изготовления МСБ. Увеличение толщины МИ приводит к возрастанию высоты ступенек, на которых происходит обрыв проводников второго уровня [45].
Наиболее часто в многоуровневых платах на жестких подложках в качестве МИ используют органические и неорганические диэлектрики. Предельная толщина неорганического диэлектрика, получаемого методами вакуумного осаждения, обычно не превышает 3-4 мкм, при этом паразитная емкость в местах пересечений составляет 1-2 пФ при ширине проводников 100 мкм. Большинство органических диэлектриков обладают невысокой нагревостойкостью. Например, максимальная рабочая температура негативного фоторезиста ФН-11КС не превышает 200 С.
Таким образом, основными технологическими проблемами, которые возникают при создании тонкопленочной многоуровневой коммутации, являются пробой изоляции и обрыв проводников на ступеньках МИ. Причем эти два дефекта связаны между собой. Действительно, увеличивая толщину МИ можно исключить ее пробой. Например, в [173] предложено использовать МИ из полиимидного лака толщиной 8-15 мкм. Практические исследования, выполненные авторами [173] показывают, что при толщине диэлектрического слоя более 8 мкм сквозные поры в МИ отсутствуют. Однако при толстых пленках МИ, для известных конструктивно-технологических вариантов (КТВ) многоуровневых плат, использующих неорганические и органические диэлектрики, становится проблематичным предотвращение обрыва проводников на ступеньках МИ.
Еще одной серьезной проблемой создания тонкопленочной многоуровневой коммутации является высокая трудоемкость изготовления, которая обусловлена большим количеством технологических операций по формированию МИ и высших уровней коммутации. Например, формирование МИ из полиимидного лака в два слоя требует 12 операций. Высокая трудоемкость и низкий процент выхода годных плат существенно повышают их себестоимость.
В зарубежных изданиях [2, 3] имеются сообщения об уникальном создании тонкопленочной многоуровневой коммутации МСБ на основе органического диэлектрика. Так в компании Rockwell International разработан МСБ, предназначенный для автоматического распознавания целей. Модуль может работать с тактовой частотой 40 МГц и содержит кристаллы интегральных схем (ИС), размещенные на кремниевой подложке с четырьмя .слоями алюминиевых межсоединений, изолированных друг от друга диэлектрическими слоями полиимида толщиной 6-10 мкм. На подложке размером 50x63 мм смонтировано в общей сложности 140 компонентов, в том числе резисторы и конденсаторы. Ширина проводящих линий составляет 25 мкм.
Проведенный анализ литературы убеждает в том, что для создания надежной многоуровневой коммутации требуются толстые (более 10 мкм) пленки диэлектрика. Данное исследование посвящено разработке многоуровневых коммутационных плат, содержащих тонкопленочные резисторы, проводники и контактные площадки (КП), конденсаторы, в которых в качестве МИ используется толстая пленка органического диэлектрика.
